Ciencia politécnica para revertir cambio climático

Fernando Álvarez Roque

Las actividades humanas son el principal motor del cambio climático desde hace 200 años, debido a la quema de combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas, que generan gases de efecto invernadero y han elevado la temperatura del planeta a un ritmo más rápido en los últimos años.

Ante esta situación un grupo de iniciativas politécnicas se exponen como parte del proyecto de divulgación liderado por la Dirección de Difusión de Ciencia y Tecnología (DDICyT), del Instituto Politécnico Nacional (IPN), bajo el nombre “Ciencia de Frontera vs Cambio Climático”, en el Museo Tezozómoc.

Las escuelas que integran este producto de comunicación de la ciencia son la Escuela Superior de Física y Matemáticas (ESFM), Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas (ESIQIE), Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada (CICATA), Unidad Altamira, en Tamaulipas y el Centro de Innovación y Desarrollo Tecnológico en Cómputo (Cidetec).

VISIBILIDAD CIENTÍFICA EN BATERÍAS

En el Laboratorio de Resonancia Paramagnética Electrónica de la ESFM, el doctor Daniel Ramírez Rosales estudia una parte fundamental de las baterías denominada electrodos, (Ánodo y Cátodo), para saber qué les sucede.

Las baterías son dispositivos para almacenar energía, pero se desechan porque tienen un tiempo de vida de corto a mediano. Lo que se requiere hacer para que esta situación no contribuya a exacerbar el cambio climático, es que esa duración se prolongue lo más posible para evitar la contaminación provocada por los desechos.

En este sentido, en el laboratorio se trabaja para observar en tiempo real lo que sucede a los electrodos en el proceso de carga y descarga.

“A través del Espectrómetro de Resonancia Paramagnética Electrónica vemos a una batería en tiempo real funcionando y degradándose, y con ello aportar evidencia para que los expertos en química puedan mejorar esta situación. In situ se ve la degradación e In operando en su carga y descarga. La aportación es para que las personas que fabrican o sintetizan este producto sepan en dónde incidir y hacer las mejoras para que se tenga una duración mucho mejor”, explicó Ramírez Rosales.

Los beneficios de este proyecto científico serán baterías de mayor durabilidad, se aprenderá a fabricar baterías recargables, todo con el objetivo de ayudar en la situación del medio ambiente con el almacenamiento de energía mucho más limpia.

Mejorar la vida de las baterías es la finalidad. Si en promedio la vida de una batería es de 5 años, con estos estudios se pretende aumentarla a 10 años.

“Por ejemplo, al mejorar la vida de una batería, el costo de un celular de alta gama se reduciría. Y las personas tendrán acceso a esa tecnología, pero con un compromiso ecológico. El costo se reduce drásticamente al tener una batería eficiente”, precisó el científico.

DIET

TECNOLOGÍA DEL HIDRÓGENO

Desde hace una década la Vivienda Sustentable, un laboratorio que creó la doctora Rosa de Guadalupe González Huerta, quien labora en la ESIQIE, ha permitido desarrollar tecnologías del hidrógeno, un combustible que promete contribuir a la descarbonización de varios sectores.

La cadena de valor que da el hidrógeno es de suma importancia para integrarla en este proyecto y saber cómo apoya esta tecnología a combatir el cambio climático.

“La Vivienda Sustentable, que es una micro red experimental tipo isla en la que se tiene integrado toda esta cadena de valor del hidrógeno y actualmente se hace una gestión de energía para saber la importancia de la energía solar, la cual es irregular, entonces el hidrógeno sirve como regulador de esta energía renovable”, destacó.

Estas aplicaciones del hidrógeno tienen muchos retos, sobre todo en México, porque todavía no hay una legislación clara. “Urge desarrollar prototipos base en el país para lograr una tecnología nacional. El hidrógeno no será la solución universal, pero sí un complemento esencial”, aseveró.

El país necesita implementar energías renovables para que se abarate el costo. A menor costo de energía renovable, menor costo de hidrógeno verde y así tener una industria de las tecnologías del hidrógeno.

“En toda Latinoamérica queremos efectuar las tecnologías del hidrógeno, pero no tenemos una industria del hidrógeno. Ninguna empresa latinoamericana crea, diseña o desarrolla equipos”, consideró González Huerta.

MOLIENDA DEL GRAFENO

En el laboratorio del doctor Felipe Caballero Briones, del CICATA, unidad Altamira, en Tamaulipas, realizan la molienda del grafeno para efectuar experimentos científicos. Para preparar un lote de grafeno de dos gramos se tardan dos días en producirlo.

Este proyecto de ciencia de frontera, que es financiado por el Conahcyt desde el año 2019, incluye la realización de estudios de los materiales que ya tienen grafeno y se pretende entender por qué mejoran las propiedades y cómo funcionan desde un punto de vista fundamental. Ya saben que almacenan carga, pero quieren indagar desde un punto de vista atómico y microscópico.

“En este momento se está generando nueva industria para crear grafeno de buena calidad y a un precio más accesible. Nosotros lo sintetizamos en el laboratorio, partimos de grafito comercial, y nuestra especialidad es hacer óxido de grafeno”, reconoció Caballero Briones.

Actualmente el grafeno se usa para sensores químicos y médicos, dispositivos para generar o almacenar energía y generar hidrógeno. También como aditivo para darle mayor durabilidad y flexibilidad al plástico. El componenteha logrado mejorar la carga y descarga de las baterías.

El grafeno es un material caro. Existe un interés en la comunidad científica en prepararlo en grandes cantidades para que pueda ser costeable. Ya existen aplicaciones con grafeno que son caras y de lujo, como en la industria aeroespacial.

Hacia este horizonte está dirigida la investigación: “en un futuro podamos tener materiales o dispositivos supercapacitadores de una eficiencia mejor de los que tenemos. Más capacidad, menos tamaño, menos desechos, menos material, ya que está generando problemas medio ambientales, utilizar menos material para contaminar menos”, planteó.

La finalidad es que los dispositivos tengan más ciclos de carga y descarga que los convencionales y así ya no tener todas estas repercusiones medio ambientales y económicas.

“El interés de participar en esta exposición, es dar a conocer el tema del grafeno, la importancia del material, de la investigación, que la gente y los jóvenes conozcan estos temas y lo interesante que es hacer investigación científica básica”, concluyó.

CELDAS ULTRADELGADAS

La doctora María de Lourdes Albor Aguilera, de la ESFM, indicó que uno de sus grandes intereses es desarrollar energía eléctrica a partir de energía solar, con el uso de materiales que sean de bajo impacto ambiental y más económicos.

Por ello, en el Laboratorio de Síntesis de Películas Micro y Nanoestructurados trabajan para construir, a futuro, edificios más sostenibles con la implementación de ventanas inteligentes. El objetivo es utilizar materiales que ayuden a convertir parte de la energía solar en energía eléctrica.

“Es importante diseñar materiales cada vez más delgados. Hay una tecnología que trabajo denominada multiunión, que son varias películas. Y el gran reto es tener películas de orden nanométrico, con materiales que sean eficientes, que tengan propiedades ópticas, estructurales, morfológicas y eléctricas, adecuadas para implementarlas en celdas fotovoltaicas de películas ultradelgadas”, pronosticó.

También está la implementación de esta tecnología no solamente en ventanas inteligentes., Ahora viene otro auge que es la energía agrovoltaica, que son cultivos asistidos con energía eléctrica utilizando la energía solar.

En el grupo de celdas solares fotovoltaicas, en el que participa la investigadora politécnica, se abordan dos ejes esenciales, producir e innovar, con la consigna de preocuparse por los desechos químicos que se generan. Por ello, en el laboratorio se procura medir el impacto ambiental de estos nuevos desarrollos.

MICROREACTORES-MINIATURIZACIÓN

El proyecto científico del doctor ElimAlbiter Escobar, quien trabaja en la ESIQIE, está enfocado principalmente en el desarrollo y aplicación de dispositivos conocidos mundialmente como microreactores.

Son dispositivos a muy pequeña escala. Miden menos de una pulgada (2.54 centímetros) de longitud y ancho y tal vez menos de un dieciseisavo de pulgada (1.56 milímetros) de espesor, aunque las dimensiones pueden variar. Estos elementos son multifuncionales porque combinan reacción química, intercambio de calor eficiente y separación de fases.

“El corazón de la investigación es disminuir el tamaño de todos esos dispositivos donde se realizan distintas transformaciones químicas y reducirlos a tamaños de unos cuantos mililitros o incluso microlitros”, subrayó.

Este proceso de miniaturización tiene muchas ventajas, ya que permite aprovechar mejor los recursos energéticos, aumenta la eficiencia con un menor consumo energético y menor un impacto sobre el cambio climático.

Otra ventaja de la miniaturización es que los costos de operación de los procesos se reducen, se mejora la selectividad y se dirige la transformación del producto sin formar desechos.

“En la industria farmacéutica sí se están usando los microreactores, porque permiten controlar muy bien la parte de la transformación, obtienes pocos productos no deseados y eso ayuda a no generar contaminación”, aclaró.

INTERACTÚAR CON LAS MANOS EN EL AIRE

En el Laboratorio de Realidad Virtual y Mecatrónica del Cidetec, el doctor Gabriel Sepúlveda Cervantes y sus alumnos desarrollan videojuegos, uno de los lenguajes actuales de las generaciones digitales.

El videojuego creado para la exposición es una narrativa audiovisual interactiva basada en la modelación, animación y simulación digital interactiva para crear visualmente el nanocosmos cuántico en el que las y los científicos del IPN “manipulan” átomos y moléculas, para investigar la energía y la materia desde las nanociencias y la nanotecnología.

Este nanocosmos virtual tiene una narrativa similar a la de los videojuegos, en la que el público participará asumiendo el papel de las y los investigadores para experimentar en “laboratorios científicos virtuales” a jugar y aprender con diversas opciones de enlaces atómicos o moleculares.

La simulación digital interactiva es operada con manos virtuales, es decir, un rayo infrarrojo detecta las manos físicas del usuario y un software especializado las transforma en manos virtuales con las cuales puede manipular los átomos y moléculas de la simulación.

“Para desarrollar esta aplicación usamos un dispositivo denominado Kinect, que es una cámara y muestra una manita interactiva con la que puedes tocar todo virtualmente”, detalló el científico politécnico.

El videojuego inicia llevándote desde el globo terráqueo a la isla de Cozumel. En 3D, se ve la isla con los laboratorios politécnicos como si se hubiera desarrollado un ambiente autosustentable usando todas las tecnologías que cada uno de los investigadores ocupa.

La aplicación cuenta con 5 módulos diferentes, avalados por los investigadores sobre el contenido científico y la vida en el laboratorio. Al final de cada módulo hay un cuestionario de opción múltiple de cinco preguntas para evaluar lo que aprendiste.

Esta aplicación de divulgación de la ciencia la puede usar cualquier persona. Si el público quiere jugar todo el videojuego, les tomará una hora.

El equipo de desarrollo está conformado por Gabriel Sepúlveda Cervantes, en modelado, animación y programación, los ingenieros Esteban Baldomero Melchor, LillyanYazmin Ramírez Peralta, Miguel Ángel Rojas Cuevas, el maestro Sergio Isahí Garrido Castañeda. En diseño la maestra María Vianey Mireles Pérez y en la narración Constanza Celaya Zamora.

CIENCIA POLITÉCNICA PARA EL MUNDO

Este proyecto de divulgación comunica los avances de los proyectos de investigación realizados por científicos de esta casa de estudios para hacer frente al cambio climático.

El responsable técnico y temático de la exposición, Jesús Albino Mendoza Álvarez, señaló que los temas que ocupan la agenda política y la conversación pública mundial son el cambio climático y las energías renovables.

Por tal motivo se implementó este desarrollo apoyados por la convocatoria del Consejo Nacional de Humanidades, Ciencias y Tecnología (Conahcyt), y que se complementa exitosamente con simulaciones digitales interactivas, video documentales, simulación de escenarios de cambio climático del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático, infografías y ambientación museográfica.

El también autor del guion museográfico explicó que los visitantes a la exposición podrán ver las caras de los científicos y científicas que realizan investigación de frontera, es decir, sabrán quiénes son, cómo piensan y cómo se ven físicamente.

“Es importante que la sociedad les conozca, que sepan de dónde vienen, sus nombres, sus historias, con esto se podrán sentir parte del Museo de Tezozómoc”, externó.

Tras muchas semanas de trabajo, el reto de esta exhibición fue trasladar los experimentos científicos a un museo interactivo, para que el público se introduzca lúdicamente a la investigación básica simulando digitalmente los fenómenos físicos básicos que investigan estos científicos.

“Uno debe tener consciencia del cambio climático desde la casa, el vecindario, en la asamblea de condóminos, en el distrito, en la alcaldía, en la ciudad, va escalando porque es un tema tan complejo que no se puede abordar de una manera tradicional. Y todo esto tratamos de abordarlo en 120 metros cuadrados”, expresó Mendoza Álvarez.

En la exposición “Ciencia de Frontera vs Cambio Climático” se aborda también la inequidad energética. Así como hay problema de justicia ambiental y de justicia salarial, también existe un problema de justicia energética. Mientras un sector minoritario de la población tiene acceso a todo tipo de energías, la mayor parte carece de ellas.

El objetivo de este proyecto es crear un espacio de comunicación y vinculación artístico-científica a partir de estrategias transmedia para vincular al público con los equipos de investigación del Instituto Politécnico Nacional, que desarrollan tecnologías de energías limpias.

A partir de ello, se reflexionará acerca de la importancia que tiene el impulso de energías limpias para el país y el medio ambiente, pero de la urgencia de su accesibilidad para todos los sectores de la población, especialmente los vulnerables.

La exposición museográfica científica interactiva está dirigida a la juventud, a estudiantes desde nivel medio superior y hasta posgrado. Los materiales utilizados para su exhibición son 100 por ciento reciclables, salvo los componentes electrónicos.

El Museo de Tezozómoc del IPN pretende que sea un espacio que promueva el quehacer científico entre la juventud mexicana y fomente la vocación por la ciencia y la tecnología de manera lúdica.